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ニホニウムは合成化学元素であり、元素記号はNh、原子番号は113です。非常に放射性が高く、最も安定な同位体であるニホニウム286の半減期は約10秒です。周期表では、ニホニウムはpブロックに属する超アクチノイド元素です。周期表の第7周期、第13族に属します。
ニホニウムは、2003年7月14日から8月10日にかけて、ロシアのドゥブナにある合同原子核研究所（JINR）で、カリフォルニア州リバモアのローレンス・リバモア国立研究所と共同で行われたロシアとアメリカの共同研究チームによる実験で初めて生成されたと報告され、2004年7月23日には、日本の和光にある理化学研究所の日本人科学者チームによっても報告された。その後数年間、彼らの主張の確認には、ロシアと日本の当初の主張者に加え、米国、ドイツ、スウェーデン、中国の独立した科学者チームが関与した。 2015年、IUPAC / IUPAP合同作業部会はこの元素を承認し、発見の優先権と命名権を理化学研究所に割り当てた。理化学研究所のチームは2016年にニホニウムという名前を提案し、同年承認された。この名前は、日本の一般的な日本語名（日本、Nihon）に由来する。
ニホニウムはごく少量しか生成されておらず、数秒以内に崩壊するため、その性質についてはほとんど知られていません。ニホニウム同位体を含む一部の超重核種の異常に長い寿命は、安定性の島理論によって説明されます。これまでの実験はこの理論を支持しており、確認されたニホニウム同位体の半減期は、中性子が加えられ島に近づくにつれてミリ秒から秒に増加します。ニホニウムは、同族元素であるホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウムと同様の性質を持つと計算されています。ホウ素を除くすべてが遷移後金属であり、ニホニウムも遷移後金属であると予想されています。また、ニホニウムはこれらの元素とはいくつかの大きな違いを示すはずです。たとえば、ニホニウムはタリウムのように+1の酸化状態の方が+3の状態よりも安定であるはずですが、+1の状態ではタリウムよりも銀やアスタチンに似た振る舞いをするはずです。予備実験の結果、単体ニホニウムは揮発性が低く、より軽い同族元素であるタリウムよりも反応性が低いことが示された。
超重原子核[ a ] は、大きさが異なる2つの原子核[ b ]が1つに結合する核反応で生成されます。おおよそ、2つの原子核の質量の差が大きいほど、2つの原子核が反応する可能性が高くなります。[ 16 ]重い原子核でできた物質を標的にし、軽い原子核のビームを照射します。2つの原子核は、互いに十分近い場合にのみ融合して1つになります。通常、原子核（すべて正に帯電）は静電反発により互いに反発します。強い相互作用はこの反発を克服できますが、原子核から非常に短い距離に限られます。そのため、ビーム原子核は、ビーム原子核の速度に比べてこのような反発が無視できるほど小さくなるように、大きく加速されます。[ 17 ]ビーム核を加速するために加えられるエネルギーは、光速の10分の1もの速度に達する可能性があります。しかし、加えられるエネルギーが多すぎると、ビーム核は崩壊する可能性があります。[ 17 ]
十分に近づくだけでは、2 つの原子核が融合するには不十分です。2 つの原子核が互いに近づくと、通常は 10 − 20 秒ほど一緒に留まり、その後、単一の原子核を形成するのではなく、分離します (必ずしも反応前と同じ構成ではありません)。[ 17 ] [ 18 ]これは、単一の原子核の形成を試みる際に、静電反発によって形成中の原子核が引き裂かれるためです。[ 17 ]標的とビームの各ペアは、その断面積によって特徴付けられます。これは、融合が起こるために入射粒子が衝突しなければならない横断面積で表された、2 つの原子核が互いに近づく場合に融合が起こる確率です。[ c ]この融合は、原子核が静電反発をトンネル効果で通過できる量子効果の結果として起こる可能性があります。2 つの原子核がその段階を超えて近くに留まることができる場合、複数の核相互作用によってエネルギーの再分配とエネルギー平衡がもたらされます。[ 17 ]
結果として生じる合体は励起状態[ 21 ] （複合核と呼ばれる）であり、非常に不安定である[ 17 ] 。より安定した状態に達するために、一時的な合体はより安定した核を形成せずに核分裂を起こす可能性がある[ 22 ] 。あるいは、複合核は励起エネルギーを運び去る中性子を少数放出する可能性がある。後者が中性子放出に十分でない場合、合体はガンマ線を生成する。これは最初の核衝突から約10⁻¹⁶秒後に起こり、より安定した核が生成される[22]。IUPAC / IUPAP合同作業部会（JWP）の定義では、化学元素は、その原子核が10⁻¹⁴秒以内に崩壊していない場合にのみ発見されたと認識できるとされている。この値は、原子核が電子を獲得して化学的性質を示すのにかかる時間の推定値として選ばれた。[ 23 ] [ d ]
ビームはターゲットを通過して次のチャンバーである分離器に到達します。新しい原子核が生成された場合、それはこのビームとともに運ばれます。[ 25 ]分離器では、新しく生成された原子核は他の核種（元のビームの核種と他の反応生成物）[ e ]から分離され、表面障壁検出器に移送され、そこで原子核が停止します。検出器への衝突の正確な位置がマークされ、そのエネルギーと到着時間もマークされます。[ 25 ]移送には約10⁻⁶秒かかります。 検出されるためには、原子核はこの時間生存する必要があります。[ 28 ]原子核の崩壊が記録されると、原子核は再び記録され、崩壊の位置、エネルギー、および時間が測定されます。[ 25 ]
原子核の安定性は強い相互作用によってもたらされます。しかし、その範囲は非常に短く、原子核が大きくなるにつれて、最外殻核子（陽子と中性子）への影響は弱まります。同時に、原子核は陽子間の静電反発によって引き裂かれ、その範囲は制限されません。[ 29 ]強い相互作用によってもたらされる全結合エネルギーは核子の数に比例して増加しますが、静電反発は原子番号の二乗に比例して増加するため、後者はより速く増加し、重原子核や超重原子核ではますます重要になります。[ 30 ] [ 31 ]したがって、超重原子核は理論的に予測されており[ 32 ] 、これまでのところ、主にアルファ崩壊と自発核分裂という、このような反発によって引き起こされる崩壊モードを介して崩壊することが観測されています[ 33 ]。[ f ]アルファ放出核種のほとんどは210個以上の核子を持ち、[ 35 ]自発核分裂を主として起こす最も軽い核種は238個である。[ 36 ]どちらの崩壊モードでも、原子核はそれぞれのモードに対応するエネルギー障壁によって崩壊が抑制されるが、トンネル効果によって通過することができる。[ 30 ] [ 31 ]
アルファ粒子は、核子あたりのアルファ粒子の質量が小さいため、アルファ粒子が運動エネルギーとして原子核から離れるためのエネルギーが残ることから、放射性崩壊でよく生成されます。[ 38 ]自発核分裂は、静電反発によって原子核が引き裂かれることで起こり、同じ原子核が分裂するさまざまな場合にさまざまな原子核が生成されます。[ 31 ]原子番号が増加するにつれて、自発核分裂の重要性が急速に高まります。自発核分裂の部分半減期は、ウラン（元素番号92）からノーベリウム（元素番号102）まで23 桁減少し、[ 39 ]トリウム（元素番号90）からフェルミウム（元素番号100）まで30桁減少します。 [ 40 ]初期の液滴モデルでは、約 280 個の核子を持つ原子核では核分裂障壁が消失するため、自発的核分裂がほぼ瞬時に起こると示唆されていた。[ 31 ] [ 41 ]後期の核殻モデルでは、約 300 個の核子を持つ原子核が安定の島を形成し、その中で原子核は自発的核分裂に対してより抵抗力があり、半減期が長いアルファ崩壊を主に起こすと示唆されていた。[ 31 ] [ 41 ]その後の発見では、予測された島は当初予想されていたよりも遠い可能性があることが示唆され、また、長寿命のアクチニドと予測された島の中間の原子核は変形しており、殻効果によって追加の安定性を得ることも示された。[ 42 ]より軽い超重核、[ 43 ]および予想されるアイランドに近いもの、[ 39 ]の実験では、自発核分裂に対する安定性がこれまで予想されていたよりも大きいことが示されており、原子核に対する殻効果の重要性が示されています。[ g ]
アルファ崩壊は放出されるアルファ粒子によって記録され、崩壊生成物は実際の崩壊前に容易に決定できます。このような崩壊または連続する一連の崩壊によって既知の原子核が生成された場合、反応の元の生成物を容易に決定できます。[ h ]（崩壊連鎖内のすべての崩壊が実際に互いに関連していることは、これらの崩壊の位置によって確立されます。崩壊は同じ場所でなければなりません。）[ 25 ]既知の原子核は、崩壊エネルギー（より具体的には、放出される粒子の運動エネルギー）など、それが受ける崩壊の特定の特性によって認識できます。 [ i ]しかし、自発核分裂はさまざまな原子核を生成物として生成するため、元の核種をその娘核から決定することはできません。[ j ]
超重元素の合成を目指す物理学者が利用できる情報は、検出器で収集された情報、すなわち粒子の位置、エネルギー、検出器への到達時刻、およびその崩壊時の情報である。物理学者はこのデータを分析し、それが実際に新しい元素によって引き起こされたものであり、主張されている核種とは異なる核種によって引き起こされたものではないと結論付けようとする。多くの場合、提供されたデータは、新しい元素が確実に生成され、観測された効果に対する他の説明がないと結論付けるには不十分であり、データの解釈に誤りが生じている。[ k ]
元素107から112の合成は、1981 年から 1996 年にかけてドイツのダルムシュタットにあるGSI ヘルムホルツ重イオン研究センターで行われました。これらの元素は、鉛とビスマスでできたターゲット(82 個の陽子の安定配置付近)に周期 4 の元素の重イオンを照射する冷核融合[ l ]反応によって作られました。これにより、ターゲットの原子核の安定性により励起エネルギーの低い融合原子核が生成され、超重元素の収率が大幅に増加します。冷核融合は、1974 年にソビエト連邦のドゥブナにある合同原子核研究所(JINR)でユーリ・オガネシアンとそのチームによって開拓されました。冷核融合反応の収率は原子番号の増加とともに大幅に減少することがわかり、生成された原子核は中性子が著しく不足しており、寿命が短いものでした。 GSIチームは1998年と2003年に、ビスマス209に亜鉛70を照射して低温核融合により元素113を合成しようと試みたが、どちらの試みも失敗に終わった。[ 57 ] [ 58 ]
この問題に直面したオガネシアンとJINRのチームは、より古い高温核融合技術、すなわち重アクチニド標的に軽いイオンを照射する技術に改めて注目した。カルシウム48は、軽元素としては非常に中性子過剰であり（すでに中性子過剰のアクチニドと組み合わさって）、生成される核種の中性子不足を最小限に抑えることができるため、理想的な入射粒子として提案された。二重魔法数であるため、融合した原子核の安定性に利点をもたらす。米国カリフォルニア州リバモアのローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）のチームと協力して、元素114 （陽子殻を閉じ、元素113よりも安定している魔法数であると予測されていた）を試みた。[ 57 ]
1998年、JINR–LLNL共同研究チームは、プルトニウム244の標的にカルシウム48のイオンを照射し、元素114の合成を試みた。 [ 57 ]
単一の原子が観測され、これは同位体289 114 であると考えられた。結果は 1999 年 1 月に発表された。[ 59 ]この反応を再現しようとする試みが何度も行われたにもかかわらず、このような崩壊特性を持つ同位体は二度と見つかっておらず、この活動の正確な正体は不明である。[ 60 ] Sigurd Hofmannらによる 2016 年の論文では、1998 年の結果の最も可能性の高い説明は、生成された複合原子核から 2 つの中性子が放出され、290 114 と電子捕獲による290 113 が生成された一方、他のすべての生成された連鎖ではより多くの中性子が放出されたことであると考えた。これは元素 113 の同位体からの崩壊連鎖の最初の報告となるはずだったが、当時は認識されず、割り当ては依然として不確実である。[ 9 ] 1999 年 3 月に JINR チームが242 Pu + 48 Ca 反応で観測した同様の長寿命活性は、287 114、287 113の電子捕獲娘核種によるものかもしれない。この割り当ても暫定的なものである。[ 8 ]
現在確認されている元素114の発見は、1999年6月にJINRチームが1998年の最初の244Pu + 48Ca反応を再現した際に行われた。 [ 61 ] [ 62 ]その後、JINRチームは同じ高温核融合技術を用いて、248Cm + 48Ca反応と249Cf + 48Ca反応により、それぞれ2000年と2002年に元素116と118を合成した。次に、奇数個の陽子と恐らく中性子が自発核分裂による崩壊を妨げ、崩壊連鎖を長くする可能性があるため、未発見の奇数番号の元素に注目した。[ 57 ] [ 63 ]
元素113の最初の報告は2003年8月で、元素115のアルファ崩壊生成物として同定されました。元素115は、アメリシウム-243の標的にカルシウム-48の入射粒子を照射することによって生成されました。JINR - LLNLの共同研究は、 2004年2月にその結果を発表しました。[ 63 ]
JINRとLLNLの共同研究チームが48Caを用いた核融合反応を研究していた一方で、日本の和光にある理化学研究所仁科加速器科学研究センターの森田浩介氏率いる日本人科学者チームは、常温核融合反応を研究していた。森田氏は、理化学研究所で自身のチームを立ち上げる前は、JINRで超重元素の合成を研究していた。 2001年、彼のチームはGSIによる元素108、110、111、112の発見を確認した。その後、彼らは元素113について、GSIが1998年に試みて失敗したのと同じ209Bi + 70Zn反応を用いて新たな試みを行った。JINRのカルシウム48を用いた高温核融合技術に比べて収率ははるかに低いと予想されたが、理研チームは低温核融合を用いることを選択した。合成された同位体は既知の娘核種にアルファ崩壊し、発見の確実性が大幅に高まり、放射性標的を使用する必要がないためである。[ 64 ]特に、この反応で生成されると予想される同位体278 113は、2000年にバークレーのローレンス・バークレー国立研究所（LBNL）のチームによって合成された既知の266Bhに崩壊する。 [ 65 ]
理化学研究所での209 Bi への70 Znの照射は2003 年 9 月に開始された。[ 66 ]研究チームは278 113の原子を 1 つ検出し、同年 9 月にその結果を発表した。[ 67 ]
理化学研究所のチームは、 278 113から 4 つのアルファ崩壊を観測し、 274 Rg、270 Mt、266 Bhを経由して262 Db の自発核分裂で終わる崩壊連鎖を作成した。[ 67 ]彼らが観測した266 Bhのアルファ崩壊の崩壊データは2000 年のデータと一致し、彼らの主張を裏付けた。その娘核種である262 Db の自発核分裂はこれまで知られておらず、アメリカのチームはこの核種からのアルファ崩壊のみを観測していた。[ 65 ]
新元素の発見が主張されると、国際純正・応用化学連合（IUPAC）と国際純正・応用物理学連合（IUPAP）の合同作業部会（JWP）が招集され、新元素発見の基準に従って主張を審査し、その元素の科学的優先権と命名権を決定します。JWPの基準によれば、発見された元素は、これまで観測されたすべての値とは異なる原子番号を持つことを証明しなければなりません。また、他の研究機関によって再現されることが望ましいですが、データの質が非常に高い場合はこの要件は免除されます。このような実証では、新元素の物理的または化学的性質を確立し、それらがこれまで知られていなかった元素の性質であることを証明する必要があります。原子番号を証明するために用いられる主な手法は、交差反応（異なる反応によって生成された他の核種の親または娘として主張された核種を生成すること）と、崩壊連鎖を既知の娘核種に固定することです。JWPでは、確認における優先権が、最初の主張の日付よりも優先されます。両チームはこれらの方法で結果を確認しようとした。[ 68 ]
2004 年 6 月と 2005 年 12 月に、JINR–LLNL の共同研究チームは、288 115の最終崩壊生成物である268 Dbに対して化学実験を行うことで、元素 113 の発見に関する主張を強化しました。この崩壊系列の核種はこれまで知られていなかったため、彼らの主張は以前の実験データによって裏付けられておらず、ドブニウムの化学は既知であるため、化学実験によって彼らの主張の根拠が強化されるという点で、これは貴重なものでした。268 Dbは、最終崩壊生成物を抽出し、自発核分裂(SF) 活性を測定し、化学識別技術を使用して、それらが第5 族元素(ドブニウムは第 5 族に属することが知られています) のように振る舞うことを確認することによって、首尾よく特定されました。[ 1 ] [ 69 ]提案された268 Dbの半減期と崩壊モードの両方が確認され、親核と娘核がそれぞれ元素 115 と 113 に割り当てられることを裏付けています。[ 69 ] [ 70 ] 2005年にJINRで行われたさらなる実験により、観測された崩壊データが確認された。[ 65 ]
2004 年 11 月と 12 月に、理化学研究所のチームは、 278 113の直娘核種である274 Rg をクロス照射で直接生成する試みとして、亜鉛ビームをビスマス標的ではなくタリウム標的に照射し、 205 Tl + 70 Zn 反応を研究した。しかし、タリウム標的は、より一般的に使用される鉛やビスマス標的に比べて物理的に弱く、著しく劣化し、厚みが不均一になったため、反応は成功しなかった。タリウムはビスマスよりも融点が高いにもかかわらず、この弱さの理由は不明である。[ 71 ]その後、理化学研究所のチームは、元の209 Bi + 70 Zn 反応を繰り返し、2005 年 4 月に278 113の 2 番目の原子を生成したが、崩壊連鎖は再び262 Db の自発核分裂で終了した。崩壊データは最初の連鎖のものとわずかに異なっていた。これはアルファ粒子が全エネルギーを放出せずに検出器から脱出したため、あるいは中間崩壊生成物の一部が準安定異性体状態で形成されたためと考えられる。[ 65 ]
2006年、中国蘭州の重イオン研究所の研究チームは、 243 Am + 26 Mg反応を調査し、4つの266 Bh原子を生成した。4つの連鎖はすべてアルファ崩壊で262 Dbに始まり、3つの連鎖は理化学研究所で観測された278 113連鎖と同様に自発核分裂で終了したが、残りの1つはLBNLで観測された266 Bh連鎖と同様に別のアルファ崩壊で258 Lrに続いた。 [ 68 ]
2006年6月、JINRとLLNLの共同研究チームは、加速されたカルシウム48原子核をネプツニウム237標的に照射することにより、元素113の新しい同位体を直接合成したと主張した。
282 113の原子が 2 つ検出された。この実験の目的は、高温核融合 ( 283 113 および284 113) と低温核融合 ( 278 113) によって生成される同位体の間のギャップを埋める同位体281 113 および282 113 を合成することであった。崩壊連鎖が自発的核分裂によって早期に終了しない限り、これらの核種は 5 回のアルファ崩壊後にローレンシウムの既知の同位体に達するはずである。最初の崩壊連鎖は266 Db またはその電子捕獲娘核種266 Rfに由来すると考えられる 4 回のアルファ崩壊後に核分裂で終了した。2 番目の連鎖では、4 回のアルファ崩壊後も自発的核分裂は観測されなかった。各連鎖で 5 番目のアルファ崩壊が見落とされた可能性がある。なぜなら266 Db は理論的にはアルファ崩壊を起こすことができ、その場合、最初の崩壊連鎖は既知の262 Lr または262 No で終了し、2 番目の連鎖は既知の長寿命258 Md まで続いた可能性があるからである。258 Md の半減期は 51.5日で、実験期間よりも長い。これが、この連鎖で自発的な核分裂イベントがなかった理由を説明する。長寿命アルファ崩壊の直接検出がないため、これらの解釈は未確認のままであり、高温核融合によって生成された超重核種とよく知られている核種図の本体との間に既知の関連性はまだない。[ 72 ]
JWPは2011年に元素113～116および118に関する報告書を発表した。JWPはJINRとLLNLの共同研究が元素114と116を発見したことを認めたが、元素113についてはどちらのチームの主張も認めず、元素115と118についてもJINRとLLNLの主張を認めなかった。元素115と113に対するJINRとLLNLの主張は、それらの娘元素であるドブニウムの化学的同定に基づいていたが、JWPは、現在の理論では超重元素である第4族元素と第5族元素を化学的性質によって十分に区別することができず、この割り当てを正当化できないと異議を唱えた。[ 65 ]元素115の崩壊系列のすべての原子核の崩壊特性は、JINRの実験以前には特性評価されておらず、JWPは一般的に「厄介ではあるが、必ずしも排他的ではない」状況であると考えており、既知の娘核種も交差反応もない生成された原子の数が少ないことから、JWPは基準が満たされていないと考えた。[ 65 ] JWPは、崩壊データの矛盾、生成された元素113の原子の数が少ないこと、既知の同位体への明確なアンカーがないことから、理研チームの主張も受け入れなかった。[ 65 ]
2009年初頭、理化学研究所のチームは、 248 Cm + 23 Na反応で崩壊生成物266 Bhを直接合成し、 278 113とのクロスボンバードメントとしての関連性を確立した。また、 262 Dbの分岐崩壊も確立し、これは自発核分裂を起こす場合と、以前から知られていたアルファ崩壊を起こして258 Lrになる場合があることを明らかにした。[ 73 ] [ 74 ]
2009年後半、JINR–LLNL共同研究チームは、元素117を生成するために249Bk + 48Ca反応を研究し、元素115と113に崩壊して交差反応で主張を強化することに成功した。この研究には、米国テネシー州のオークリッジ国立研究所（ORNL）とヴァンダービルト大学の科学者が加わり[ 57 ] 、周期表で最も重い元素を合成するためのJINRのカルシウム48キャンペーンを完了するために必要な、希少で放射能の高いバークリウム標的の入手を支援した[ 57 ] 。元素117の2つの同位体が合成され、元素115、そして元素113に崩壊した[ 75 ]。
生成された新しい同位体285 113と286 113は、以前に主張された282 113、283 113、および284 113と重複しなかったため、この反応は2003年または2006年の主張を確認するためのクロスボンバードメントとして使用できませんでした。[ 68 ]
2010年3月、理化学研究所のチームは、改良された装置を用いて205Tl + 70Zn反応を介して274Rgを直接合成しようと再び試みたが、再び失敗し、この交差照射法を断念した。[ 71 ]
亜鉛の照射によるビスマスの照射をさらに450日間続けた後、理化学研究所は2012年8月に別の278個の113原子を生成し、同定した。[ 76 ] 2011年の東北地方太平洋沖地震と津波以来、電気料金が高騰し、理化学研究所は経費削減のために加速器プログラムの停止を命じていたが、森田のチームは1つの実験を続けることを許可され、元素113の合成を確認する試みを選んだ。[ 77 ]この場合、6つのアルファ崩壊が観測され、メンデレビウムの同位体が生成された。
この崩壊系列は、理化学研究所でのこれまでの観測とは主に262 Dbの崩壊モードが異なっていた。以前は262 Dbは自発核分裂を起こすことが観測されていたが、今回は代わりにアルファ崩壊を起こした。262 Dbから258 Lrへのアルファ崩壊はよく知られている。研究チームは、偶然の一致の確率を10 −28、つまり完全に無視できると計算した。[ 76 ]結果として生じた254 Md原子は電子捕獲を受けて254 Fmとなり、これが系列の7番目のアルファ崩壊を起こして半減期が約13年の長寿命250 Cfになった。[ 78 ]
249 Bk + 48 Ca実験は、2012 年と 2013 年に JINR で一貫した結果で繰り返され、2014 年に GSI で再び繰り返されました。[ 68 ] 2013 年 8 月、スウェーデンのルンドにあるルンド大学と GSIの研究者チームは、2003 年の243 Am + 48 Ca 実験を繰り返し、JINR–LLNL コラボレーションの結果を確認したと発表しました。[ 66 ] [ 79 ]同年、2003 年の実験は JINR で繰り返され、元素 117 の同位体293 117の発見を確認するためのクロス ボンバードメントとして使用できる同位体289 115 も生成され、崩壊系列の一部としてその娘核種285 113 も確認されました。 [ 68 ] 288 115とその娘核種の確認は、LBNLのチームによって2015年8月に発表された。[ 80 ]
2015 年 12 月、IUPAC はプレスリリースで新しい JWP レポートの結論を発表し、その中で元素 113 は理化学研究所に、元素 115、117、118 は JINR を含む共同研究に授与された。[ 81 ] IUPAC と IUPAP による 2016 年の共同発表は JWP レポートの発表に合わせて予定されていたが、元素 113 の功績が理化学研究所に与えられたというニュースが日本の新聞に漏洩したため、IUPAC は単独で早期発表を決定した。[ 82 ]アジアの物理学者のチームが史上初めて新元素に名前を付けることになった。[ 81 ] JINRは、元素113が理化学研究所に授与されたことを予想外と考え、2003年に自らが元素115と113を生産したことを挙げ、元素103、104、105の先例ではIUPACがJINRとLBNLに共同でクレジットを与えていたことを指摘した。彼らはIUPACの決定を尊重すると述べたが、JWPレポートの公式発表まで立場の決定を保留した。[ 83 ]
JWPの報告書全文は2016年1月21日に公表された。JWPは元素113の発見を認め、優先権を理化学研究所に与えた。彼らは、278 113の崩壊系列における各核種の個々の崩壊エネルギーは矛盾していたものの、それらの合計は一致することが確認され、 278 113とその娘核種262 Dbの初期状態と最終状態が3つの事象すべてで同じであったことを強く示唆していると指摘した。262 Dbが258 Lrと254 Mdに崩壊することは以前から知られており、 278 113の崩壊系列は核種図の既知の領域にしっかりと固定されている。 JWPは、元素115の娘元素として元素113を生成した2004年と2007年のJINR–LLNLコラボレーションは、崩壊系列が既知の核種に固定されていなかったため必要と考えられていた交差照射による核種の原子番号の確実な決定がなかったため、発見基準を満たしていないと考えた。また、JWPは、ドブニウム娘元素の化学的同定に関する以前のJWPの懸念が十分に対処されていないと考えた。JWPは、2010年のJINR–LLNL–ORNL–Vanderbiltコラボレーションが元素117と115を発見し、元素113がそれらの娘元素として生成されたことを認めたが、この研究に共同功績を与えなかった。[ 68 ] [ 71 ] [ 84 ]
JWPの報告書が公表された後、発見が行われたJINRのフレロフ研究室の所長であるセルゲイ・ディミトリエフは、IUPACの決定に満足していると述べ、理化学研究所が実験に費やした時間と、JINRで超重元素の合成の基礎を学んだ森田との良好な関係に言及した。[ 57 ] [ 83 ]
JWPが元素113の発見を承認する際に提示した総和論は、後にルンド大学とGSIによる2016年5月の研究で批判された。なぜなら、この論は崩壊系列に沿ってガンマ崩壊や内部転換が起こらない場合にのみ有効であり、奇数核ではそのようなことは起こりそうになく、 278 113崩壊系列で測定されたアルファ崩壊エネルギーの不確実性は、この可能性を排除するほど小さくなかったからである。もしそうであれば、中間娘核種の寿命の類似性は無意味な議論となる。なぜなら、同じ核種の異なる異性体は異なる半減期を持つ可能性があるからである。例えば、180 Taの基底状態の半減期は数時間であるが、励起状態の180m Taは崩壊することが観測されたことがない。この研究では、元素115と117の発見に対するIUPACの承認に疑問と批判の理由が見つかったが、元素113に関する理化学研究所のデータは一致しており、元素115と113に関するJINRチームのデータもおそらく一致していることが判明し、元素113の発見に対するIUPACの承認を支持することになった。[ 85 ] [ 86 ] JINRチームの2人のメンバーは、2017年6月に、元素113、115、117に関するデータの一致に対するこれらの批判に反論する論文を発表した。[ 87 ]
メンデレーエフの命名法では、未命名・未発見の元素はニホニウムと呼ばれていた。1979年、IUPACは、元素の発見が確認され、名前が決定されるまで、この元素を仮の系統的な元素名であるウンウントリウム（対応する記号はUut）と呼ぶという勧告を発表した[ 88 ]。この勧告は、化学教室から高度な教科書まで、化学コミュニティのあらゆるレベルで広く使用されたが、この分野の科学者の間ではほとんど無視され、彼らはこれを「元素113」と呼び、記号はE113、(113)、あるいは単に113と呼んでいた[ 1 ]。
JWPが優先権を認める前、日本のチームは非公式にさまざまな名前を提案していた。彼らの母国にちなんでジャポニウム[ 89 ] 、日本の物理学者で「日本の近代物理学研究の創始者」である西名義雄にちなんでニシナニウム[ 90 ]、研究所にちなんでリケニウム[ 89 ]などである。承認後、理化学研究所のチームは2016年2月に集まり、名前を決定した。森田氏は、元素113が日本で発見されたという事実を称える名前にしたいと表明した。ジャポニウムは、日本人以外の人にとって日本とのつながりが容易に識別できるため検討されたが、ジャップは民族差別的であると見なされるため却下された。1時間の審議の後、ニホニウムという名前が選ばれた。これは、日本の名前の2つの日本語の読みの1つであるニホン（日本）に由来する。 [ 91 ]発見者たちはまた、日本国民による研究支援（理化学研究所はほぼ完全に政府資金で運営されている）に言及し、[ 92 ]福島第一原子力発電所事故の影響を受けた人々の間で失われた科学への誇りと信頼を取り戻し、[ 93 ]日本の化学者小川正孝が1908年に発見したレニウムを称えることも意図していた。小川はそれを日本の別の日本語の発音にちなんで「ニッポニウム」と名付け、記号はNpとした。[ 84 ]小川の主張は受け入れられなかったため、「ニッポニウム」という名前は新しい元素に再利用できず、その記号Npはその後ネプツニウムに使用された。[ m ] 2016年3月、森田はIUPACに「ニホニウム」という名前を提案し、記号はNhとした。[ 84 ]この命名は、小川の主張以来、日本の科学における国民的夢であったことを実現した。[ 77 ]
IUPAP の元会長であるセシリア・ヤールスコグは、2016 年 6 月にスウェーデンのベッカスコグ城で開催された超重元素に関するノーベルシンポジウムで、新元素の承認プロセスにおける透明性の欠如について不満を述べ、JWP の作業は欠陥があり、新しい JWP によってやり直されるべきだと考えていると述べた。物理学者への調査では、多くの人が JWP 報告書に対する Lund–GSI 2016 の批判は根拠があると考えていることが判明したが、作業をやり直しても結論は維持されるだろうと一般的に考えられていた。そのため、新会長のブルース・マッケラーは、提案された名前を IUPAP–IUPAC の共同プレスリリースで発表することを決定した。[ 82 ] IUPAC と IUPAP は、その年の 6 月にニホニウムの提案を公表し、 [ 93 ] 5 か月の期間を設けてコメントを収集し、その後、会議で正式に名前を決定することにした。[ 96 ] [ 97 ]この名称は2016年11月28日に正式に承認された。[ 98 ]新元素の命名式は2017年3月14日に日本の東京で行われ、当時皇太子であった徳仁親王が出席した。[ 99 ]
ニホニウムには安定同位体や天然同位体は存在しない。いくつかの放射性同位体は、2つの原子を融合させるか、より重い元素の崩壊を観察することによって、実験室で合成されている。ニホニウムの8つの異なる同位体は、原子量278、282～287、および290（287 Nhと290 Nhは未確認）で報告されており、これらはすべてアルファ崩壊によってレントゲニウムの同位体に崩壊する。[ 103 ]ニホニウム-284は電子捕獲によってコペルニシウム-284に崩壊する可能性も示唆されているが、この分岐の部分半減期の推定値はモデルによって大きく異なる。 [ 104 ]ニホニウム-285の自発核分裂分岐も報告されている。[ 102 ]
原子番号が増加するにつれて原子核の安定性は急速に低下し、96番目の元素であるキュリウムの半減期はそれ以降のどの元素の半減期よりも1万倍以上長い。原子番号が101を超えるすべての同位体は、半減期が30時間未満で放射性崩壊を起こす。これは、陽子のクーロン反発力が絶えず増加するため、強い核力では自発的な核分裂に対して原子核を長く保持できないためである。計算によると、他の安定化要因がない場合、陽子数が103を超える元素は存在しないはずである。1960年代の研究者たちは、陽子数114、中性子数184の閉じた核殻がこの不安定性を打ち消し、半減期が数千年または数百万年に達する核種を含む「安定の島」を作り出すはずだと提唱した。島の存在はまだ証明されていないが、超重元素（ニホニウムを含む）の存在は安定化効果が実在することを裏付けており、一般的に既知の超重核種は島の予測位置に近づくにつれて寿命が長くなる。[ 105 ] [ 106 ]
ニホニウム同位体はすべて不安定で放射性です。重いニホニウム同位体は、島の中心に近いため、軽い同位体よりも安定しています。最も安定な既知のニホニウム同位体である286Nhは、最も重い同位体でもあり、半減期は8 秒です。同位体285Nh、および未確認の287Nhと290Nhも、半減期が1秒を超えることが報告されています。同位体284Nhと283Nhの半減期は、 それぞれ0.90秒と0.12秒です。残りの 2 つの同位体の半減期は 0.1 ～ 100 ミリ秒です。282 Nhの半減期は 61 ミリ秒で、既知のニホニウム同位体の中で最も軽い278 Nh は最も寿命が短く、半減期は 2.0 ミリ秒です。N = 184の 閉じた中性子殻付近での半減期の急激な増加は、レントゲニウム、コペルニシウム、ニホニウム (元素 111 ～ 113) で見られ、これまでのところ、余分な中性子 1 つごとに半減期が 5 ～ 20 倍になります。[ 106 ] [ 107 ]
278 Nh と282 Nhの間のギャップにある未知の同位体は、冷核融合で生成するには重すぎ、熱核融合で生成するには軽すぎます。 不足している280 Nh と281 Nh は、 241 Am + 48 Ca 反応で生成される284 Mc と285 Mcの娘として存在する可能性がありますが、これはまだ試みられていません。[ 108 ]特に興味深いのは281 Nh で、これは243 Am + 54 Cr 反応の可能性のある生成物である293 119の予想される曾孫です。[ 109 ] 282 Mc と283 Mcの生成は243 Am + 44 Ca 反応で可能ですが(断面積は小さい)、それらの娘は278 Nh (既知) と279 Nh になります。[ 108 ]より重い同位体287 Nh から290 Nh は、1 つの陽子といくつかの中性子が蒸発する242 Pu + 48 Ca および244 Pu + 48 Ca 反応を使用して荷電粒子蒸発により合成される可能性がある。[ 110 ] [ 111 ]
ニホニウムやその化合物の特性はごくわずかしか測定されていません。これは、ニホニウムの生産が極めて限られていて高価であること[ 112 ]と、非常に速く崩壊するという事実によるものです。ニホニウムの特性はほとんど不明のままで、予測しか得られていません。
ニホニウムは、7p系列の元素の最初のメンバーであり、周期表でホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウムより重い第13族元素です。ホウ素を除く第13族元素はすべて金属であり、ニホニウムもそれに続くと予想されています。ニホニウムは、より軽い同族元素とは多くの点で異なると予測されています。その主な理由は、スピン軌道（SO）相互作用であり、これは超重元素では特に強く、その電子は軽い原子よりもはるかに速く、光速に近い速度で動きます。[ 114 ]： 63ニホニウム原子に関して言えば、7sと7pの電子エネルギー準位を下げ（これらの電子を安定化させる）、7pの電子エネルギー準位のうち2つは他の4つよりも安定化されます。[ 115 ] 7s 電子の安定化は不活性対効果と呼ばれ、7p 副殻がより安定化した部分とより安定化していない部分に分離されることは副殻分裂と呼ばれます。計算化学者は、この分裂を、7p 副殻のより安定化した部分とより安定化していない部分について、それぞれ 1 から 1/2 と 3/2 への2 番目の方位量子数lの変化と見ています。 [ 114 ] : 63量子数は、電子軌道名の文字に対応します。0 は s、1 は p、2 は d などです。理論的な目的で、価電子配置は 7p 副殻の分裂を反映するように 7s 2 7p 1/2 1と表すことができます。[ 1 ]ニホニウムの第一イオン化エネルギーは7.306 eVと予想され、これは第13族金属の中で最も高い値である。 [ 1 ] 6d電子準位についても同様の副殻分裂が存在し、4つが6d 3/ 2、6つが6d 5/2となるはずである。これらの準位はどちらも7s準位に近いエネルギーに引き上げられ、化学的に活性となる可能性があるほど高い。これにより、より軽い第13族類似体を持たないエキゾチックなニホニウム化合物の可能性が開かれる。[ 115 ]
周期的な傾向から、ニホニウムは周期表でタリウムより1つ下の周期にあるため、タリウムよりも原子半径が大きいと予測されるが、計算によると、ニホニウムの7s軌道と7p 1/2 軌道の相対論的安定化と収縮により、ニホニウムの原子半径は約170 pmで、タリウムと同じである。したがって、ニホニウム原子はタリウム原子よりも重いが体積は同じであるため、ニホニウムはタリウムよりもはるかに密度が高く、タリウムの11.85 g/cm 3に対して約16～18 g/cm 3と予測される。 [ 1 ] [ 113 ]バルクのニホニウムは、タリウムと同様に六方最密充填結晶構造を持つと予想される。[ 5 ]ニホニウムの融点と沸点はそれぞれ 430 °C と 1100 °C と予測されており、周期的な傾向に従ってインジウムとタリウムの値を超えています。[ 1 ] [ 2 ]ニホニウムの体積弾性率は20.8 GPa で、タリウム (43 GPa) の約半分です。[ 6 ]
ニホニウムの化学はタリウムの化学とは大きく異なると予想される。この違いは、7p殻のスピン軌道分裂に起因し、その結果、ニホニウムは比較的反応性の低い2つの閉殻元素（コペルニシウムとフレロビウム）の間に位置している。[ 116 ]ニホニウムの7s副殻はタリウムの6s副殻よりも安定化が進み、化学的に不活性であるため、ニホニウムはタリウムよりも反応性が低いと予想される。[ 4 ] Nh + /Nh対の標準電極電位は0.6Vと予測されている。ニホニウムは貴金属であると考えられる。[ 4 ]
金属第13族元素は、通常、+1と+3の2つの酸化状態をとります。前者は単一のp電子のみが結合に関与することによって生じ、後者は3つの価電子すべて（s副殻の2つとp副殻の1つ）が関与することによって生じます。族を下るにつれて結合エネルギーは減少し、+3状態は不安定になります。これは、2つの追加の結合を形成して+3状態を達成する際に放出されるエネルギーが、s電子を関与させるのに必要なエネルギーを上回るのに十分でない場合があるためです。したがって、アルミニウムとガリウムでは+3が最も安定な状態ですが、インジウムでは+1が重要になり、タリウムでは+3状態よりも安定になります。ニホニウムはこの傾向を継続し、+1が最も安定な酸化状態になると予想されます。[ 1 ]
最も単純なニホニウム化合物は、一水素化物 NhH です。結合は、ニホニウムの 7p 1/2電子と水素の 1s 電子によって提供されます。SO 相互作用により、ニホニウム一水素化物の結合エネルギーは 約 1 eV減少します[ 1 ] 。また、結合 7p 1/2軌道が相対論的に収縮するため、ニホニウム - 水素結合長が減少します。これは 7p 元素の一水素化物の中では独特です。他のすべての一水素化物では、結合長が収縮するのではなく、相対論的に膨張します。[ 117 ] SO 相互作用のもう 1 つの効果は、タリウム一水素化物 (TlH) のほぼ純粋なシグマ結合(正面からの軌道の重なり) とは異なり、 Nh - H 結合が顕著なπ 結合特性(側面からの軌道の重なり) を持つと予想されることです。[ 118 ]類似の一フッ化物 (Nh F ) も存在するはずです。[ 113 ]ニホニウム(I)はタリウム(I)よりも銀(I)に似ていると予測されている。 [ 1 ] Nh +イオンはアニオンとより容易に結合すると予想されるため、NhCl は過剰の塩酸またはアンモニアにかなり溶けるはずである。TlClは溶けない。溶液中で強塩基性水酸化物 ( TlOH ) を形成する Tl + とは対照的に、 Nh +カチオンは代わりに両性酸化物 Nh 2 Oまで完全に加水分解されるはずであり、これは水性アンモニアに溶け、水には弱く溶ける。[ 4 ]
熱クロマトグラフィー実験における金表面へのニホニウムの吸着挙動は、タリウムよりもアスタチンに近いと予想される。7p 3/2副殻の不安定化により、安定なオクテットを持つ 7s 2 7p 6配置ではなく、7s 2 7p 2配置で価電子殻が閉じることになる。そのため、ニホニウムはアスタチンと同様に、閉じた価電子殻に必要な p 電子が 1 つ不足していると考えられる。したがって、ニホニウムは第 13 族元素であるにもかかわらず、第 17 族元素と類似した性質をいくつか持っている。 (第 17 族のテネシンは、7s 2 7p 2閉殻の外に 3 つの価電子を持つため、第 13 族に似た性質をいくつか持っています。[ 119 ] ) ニホニウムは、電子を獲得してこの閉殻配置を達成し、ハロゲン(フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、アスタチン) のように −1 の酸化状態を形成できると予想されます。この状態は、7p 副殻の SO 分裂が 6p 副殻の分裂よりも大きいため、タリウムの場合よりも安定しているはずです。[ 114 ] : 63ニホニウムは、金属の第 13 族元素の中で最も電気陰性度が高く、 [ 1 ]ハロゲンの第 7 周期の同族元素であるテネシンよりもさらに電気陰性度が高いはずです。化合物 NhTs では、負電荷はテネシン原子ではなくニホニウム原子にあると予想されます。[ 113 ] −1 酸化は、テネシンよりもニホニウムの方が安定であるはずです。[ 1 ] [ 120 ]ニホニウムの電子親和力は約 0.68 eV と計算されており、タリウムの 0.4 eV よりも高くなっています。テネシンの電子親和力は 1.8 eV と予想され、同族の中で最も低くなっています。[ 1 ]理論的には、ニホニウムの昇華エンタルピーは約 150 kJ/mol、金表面への吸着エンタルピーは約 −159 kJ/mol であると予測されています。[ 121 ]
Nh–Au結合には6d電子が大きく関与すると予想されるが、Tl–Au結合よりも不安定で、完全に磁気相互作用によるものと予想される。これにより、ニホニウムに遷移金属的な性質がある可能性が示唆される。[ 116 ] 6d電子と7s電子の間のエネルギーギャップが小さいことから、ニホニウムには+3と+5の高い酸化状態が示唆されている。[ 1 ] [ 4 ]ニホニウムが+3の酸化状態にある単純な化合物としては、三水素化物(NhH3)、三フッ化物(NhF3)、三塩化物(NhCl3)などが挙げられる。これらの分子は、ホウ素類縁体のように三角平面ではなくT字型であると予測されている。[ p ]これは、6d5 /2電子が結合に及ぼす影響によるものである。 [ 118 ] [ q ]より重い臭化ニホニウム (Nh Br 3 ) およびヨウ化ニホニウム (Nh I 3 ) は、周辺原子間の立体反発が増加するため、三角平面構造になります。したがって、結合に 6d が大きく関与することはありませんが、7s–7p エネルギーギャップが大きいため、ホウ素類縁体と比較して sp 2混成が減少します。[ 118 ]
より軽い NhX 3分子の結合は、直線状のNhX + 2種 ( HgF 2またはAuF − 2に類似)の結合と、他の 2 つの配位子に垂直なニホニウムの 7p 軌道を含む追加の Nh–X 結合とみなすことができます。これらの化合物はすべて、X 2分子の喪失とニホニウム (I) への還元に対して非常に不安定であると予想されます。[ 118 ]
ニホニウムは、+3 酸化状態の安定性が低下する第 13 族の傾向を継続しており、これら 5 つの化合物はすべて、未知のヨウ化タリウム (III) よりも反応エネルギーが低い。[ r ] +3 状態は、 TlI − 4などの陰イオン錯体でタリウムに対して安定化されており、より軽い T 字型のニホニウム三ハロゲン化物に空いている可能性のある配位サイトの存在により、 NhF − 4およびおそらくNhCl − 4の同様の安定化が可能になると予想される。[ 118 ]
+5 の酸化状態は、より軽い第 13 族元素すべてについて不明です。計算によると、ニホニウム五水素化物 (NhH 5 ) と五フッ化物 (NhF 5 ) は四角錐型の分子構造を持つはずですが、どちらも X 2分子の喪失とニホニウム (III) への還元に対して熱力学的に非常に不安定であると予測されています。ここでも、 NhF − 6のような陰イオン錯体ではある程度の安定化が期待されます。ニホニウム三フッ化物と五フッ化物の分子構造は、塩素三フッ化物と五フッ化物の構造と同じです。[ 118 ]
同位体284Nh、285Nh、および286Nhは、化学的調査に十分な半減期を持っています。[ 121 ] 2010年から2012年にかけて、ニホニウムの揮発性を決定するために、JINRでいくつかの予備的な化学実験が行われました。調査された同位体284Nhは、 243Am + 48Ca反応で生成された288Mcの娘核種として作られました。ニホニウム原子は反跳チャンバーで合成され、その後、キャリアガスによって70℃でポリテトラフルオロエチレン（PTFE）キャピラリーを通って金で覆われた検出器に運ばれました。 284 Nhの原子が 10 ～ 20 個ほど生成されたが、これらの原子は検出器で検出されなかった。これは、ニホニウムの揮発性が希ガスと似ており（そのため検出するには拡散が速すぎた）、あるいは、より妥当なのは、純粋なニホニウムの揮発性が低く、PTFE 毛細管を効率的に通過できなかったことを示唆している。[ 121 ]水酸化物 NhOH の生成は輸送を容易にするはずである。水酸化物ニホニウムは元素ニホニウムよりも揮発性が高いと予想され、この反応はキャリアガスに水蒸気を追加することで促進される可能性がある。この生成は速度論的に有利ではないと思われるため、より寿命の長い同位体285 Nh および286 Nh が今後の実験にはより望ましいと考えられた。[ 121 ] [ 126 ]
2017年にJINRで行われた実験では、288 Mcと289 Mcの娘として243 Am+ 48 Ca反応により284 Nhと285 Nhを生成したが、PTFEのみを使用して石英表面を除去することでこの問題を回避した。化学分離後にニホニウム原子は観察されず、PTFE表面へのニホニウム原子の予想外の大きな保持を示唆している。ニホニウム原子とPTFE表面との相互作用限界（−Δ H PTFE ads (Nh) > 45 kJ/mol）に関するこの実験結果は、14.00 kJ/molというより低い値を予想していた以前の理論と大きく異なっている。これは、以前の実験に関与したニホニウム種は元素ニホニウムではなく水酸化ニホニウムであった可能性が高く、元素ニホニウムの挙動をさらに調査するには真空クロマトグラフィーなどの高温技術が必要であることを示唆している。 [ 37 ]三臭化ホウ素で飽和した臭素は、ニホニウム化学の実験のキャリアガスとして提案されている。これにより、ニホニウムのより軽い同族元素であるタリウムがタリウム(III)に酸化され、超重元素であるドブニウムを含む第5族元素の臭化物で行われた以前の実験と同様に、ニホニウムの酸化状態を調査する道が開かれる。[ 127 ]
2024年にGSIで行われた実験では、288 Mcの娘核種である243 Am + 48 Ca反応によって284 Nhが生成され、SiO 2および金表面へのニホニウムとモスコビウムの吸着が研究された。SiO 2へのニホニウムの吸着エンタルピーは、実験的に−Δ H SiO 2 ads (Nh) = 58 +8 −3 kJ/mol (68%信頼区間)と決定された。ニホニウムは、より軽い同族元素であるタリウムよりもSiO 2表面との反応性が低いが、閉殻の隣接元素であるコペルニシウムおよびフレロビウムよりも反応性が高いことが判明した。これは、7p 1/2殻の相対論的安定化によるものである。[ 128 ]
それを「ニホニウム」と命名する予定だと、関係筋が水曜日に語った。
森田グループリーダーは当初提案したラテン語やフランス語由来の
ジャパニウム
ではなく、自分の言語にこだわっているようだ。